La propagation de la lumière
Dans le vide ou dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite. On représente son trajet par un rayon lumineux portant une flèche dans le sens de propagation. Dans le vide, sa vitesse vaut environ 300 000 km/s, soit 300 000 000 m/s.
À la fin de ce chapitre, vous saurez
- Classer les milieux en transparents, translucides ou opaques
- Énoncer et appliquer la propagation rectiligne
- Représenter des rayons et des faisceaux lumineux
- Distinguer transmission, diffusion, réflexion et absorption
- Utiliser la vitesse de la lumière dans un calcul simple
PrérequisSources de lumière, objets diffusants et récepteurs · Conversions entre mètre et kilomètre, lecture d'une flèche
Un bon cours, ça se partage.
Dans quels milieux la lumière peut-elle se propager ?
Le mot propagation désigne le déplacement de la lumière depuis une source. La lumière peut voyager dans le vide : la lumière solaire atteint ainsi la Terre après avoir traversé l'espace. Elle peut aussi traverser certains matériaux. Pour les classer, on observe si la lumière passe et si un objet placé derrière reste nettement visible.
| Milieu | Observation | Exemple |
|---|---|---|
| Transparent | Transmet la lumière et permet de distinguer nettement un objet derrière lui. | Air clair, vitre propre, eau limpide. |
| Translucide | Transmet une partie de la lumière en la diffusant ; l'objet derrière n'est pas vu nettement. | Verre dépoli, papier calque. |
| Opaque | Ne transmet pas la lumière visible dans les conditions de l'observation. | Carton épais, plaque métallique. |
Attention
Transparent ne veut pas dire incolore : un verre coloré peut rester transparent. Un matériau translucide laisse passer de la lumière, mais ne permet pas d'observer nettement les détails d'un objet derrière.
Comment montrer que la lumière se propage en ligne droite ?
On place trois cartons percés entre une petite lampe et un écran. Lorsque les trous sont alignés avec la source, un faisceau traverse le montage et atteint l'écran. Si l'on décale le carton du milieu, le faisceau rencontre sa partie opaque et n'atteint plus l'écran. Cette comparaison met en évidence un trajet rectiligne dans l'air du montage.
Définition
Principe de propagation rectiligne : Dans le vide et dans un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite. Homogène signifie que le milieu possède les mêmes propriétés en ses différents points, à l'échelle de l'expérience.
Les conditions font partie de la règle. Au passage de l'air dans le verre ou dans l'eau, la direction peut changer. Ce changement à une séparation entre deux milieux ne contredit pas le trajet rectiligne dans chacun des milieux homogènes. En 2AC, on utilise surtout le principe pour construire des trajets et expliquer les ombres.
Comment représenter un rayon lumineux ?
Définition
Rayon lumineux : Un rayon lumineux est une ligne orientée qui représente un trajet de propagation de la lumière. La flèche indique le sens suivi par la lumière, de la source vers ce qu'elle éclaire. C'est un modèle de représentation, pas un fil matériel.
Méthode
Tracer un rayon
- Identifier le point de départ et le point atteint.
- Tracer à la règle le segment correspondant au trajet dans le milieu homogène.
- Ajouter une flèche orientée dans le sens de propagation.
- Arrêter le tracé lorsqu'un obstacle opaque bloque ce trajet.
Une flèche tournée dans le mauvais sens
Une lampe éclaire un écran. Sur le schéma, la flèche du rayon pointe de l'écran vers la lampe. Quelle correction faut-il faire ?
- Le rayon représentant l'éclairage doit aller de la lampe vers l'écran.
- On conserve le support rectiligne et on inverse la flèche.
- Si l'écran diffuse ensuite vers un œil, on représente un autre trajet de l'écran vers cet œil.
Quels sont les trois types de faisceaux lumineux ?
Définition
Faisceau lumineux : Un faisceau lumineux est un ensemble de rayons lumineux. On le représente souvent par ses rayons limites et quelques rayons intérieurs. La largeur d'un trait sur le dessin ne représente pas un rayon isolé de largeur réelle.
| Faisceau | Dans le sens des flèches | Repère pour le dessin |
|---|---|---|
| Divergent | Les rayons s'écartent. | Il s'élargit en s'éloignant de la source. |
| Convergent | Les rayons se rapprochent d'un point. | Il se rétrécit avant le point de convergence. |
| Parallèle ou cylindrique | Les rayons restent parallèles. | Il conserve sa largeur dans le modèle. |
Le sens des flèches est indispensable. Deux droites qui se rapprochent vers la droite décrivent un faisceau convergent seulement si la lumière va vers la droite. Si les flèches sont tournées vers la gauche, les mêmes supports peuvent représenter un faisceau divergent. On lit donc toujours le dessin dans le sens de propagation.
Que deviennent les rayons à la rencontre d'un objet ?
| Phénomène | Ce qui arrive à la lumière |
|---|---|
| Transmission | Une partie traverse le matériau. |
| Réflexion | Une partie est renvoyée ; un miroir la renvoie dans une direction privilégiée. |
| Diffusion | Une partie est renvoyée dans plusieurs directions, par exemple par une feuille mate. |
| Absorption | Une partie est reçue par la matière et peut notamment contribuer à son échauffement. |
Plusieurs phénomènes peuvent se produire ensemble. Une vitre transmet beaucoup de lumière, mais elle en réfléchit aussi une petite partie : on peut parfois y voir un reflet. On ne conclut donc pas qu'un objet transparent transmet absolument toute la lumière ou qu'un objet opaque absorbe forcément tout.
Quelle est la vitesse de la lumière ?
La vitesse est très grande, mais elle n'est pas infinie. Pour un déplacement à vitesse constante, distance = vitesse × durée. Les unités doivent correspondre : avec une vitesse en km/s et une durée en secondes, on obtient une distance en kilomètres. Dans l'eau ou le verre, la lumière se propage plus lentement que dans le vide.
Un trajet dans l'espace
Quelle distance la lumière parcourt-elle dans le vide pendant 0,002 s ?
- Utiliser 300 000 km/s et 0,002 s.
- Distance = 300 000 × 0,002 = 600 km.
- Le résultat est une distance, donc son unité est le kilomètre, pas le kilomètre par seconde.
Pourquoi voit-on un faisceau dans la poussière ?
Dans un air très propre, la lumière d'une lampe peut atteindre le mur sans que tout son trajet soit visible de côté. Des poussières ou de fines gouttelettes diffusent une partie de cette lumière vers l'œil ; on distingue alors le faisceau. Elles rendent le trajet visible, mais elles ne sont pas nécessaires à la propagation elle-même.
Questions fréquentes
Quel est le principe de propagation rectiligne de la lumière en 2AC ?
Quelle différence entre transparent et translucide ?
Quels sont les trois types de faisceaux lumineux ?
Quelle est la vitesse de la lumière dans le vide ?
Quiz : 12 questions sur ce chapitre
12 questions tirées au hasard parmi les 12 de ce chapitre : le quiz est différent à chaque visite. Une seule réponse est correcte, et vous voyez immédiatement si la vôtre l'est.
Q1À travers quel milieu voit-on nettement les détails ?
Réponse incorrecte
Un milieu transparent transmet la lumière en permettant une vision nette des objets situés derrière.
Bonne réponse : Un milieu transparent
Un milieu transparent transmet la lumière en permettant une vision nette des objets situés derrière.
Q2Le papier calque est généralement…
Réponse incorrecte
Le calque transmet une partie de la lumière en la diffusant et ne permet pas une vision nette.
Bonne réponse : translucide
Le calque transmet une partie de la lumière en la diffusant et ne permet pas une vision nette.
Q3Où la lumière se propage-t-elle en ligne droite ?
Réponse incorrecte
Le principe de propagation rectiligne s'énonce avec ces conditions.
Bonne réponse : Dans le vide ou un milieu transparent et homogène
Le principe de propagation rectiligne s'énonce avec ces conditions.
Q4Que représente la flèche d'un rayon ?
Réponse incorrecte
La flèche donne le sens suivi par la lumière le long du trajet représenté.
Bonne réponse : Le sens de propagation
La flèche donne le sens suivi par la lumière le long du trajet représenté.
Q5Un faisceau qui s'élargit dans le sens des flèches est…
Réponse incorrecte
Dans un faisceau divergent, les rayons s'écartent au cours de leur propagation.
Bonne réponse : divergent
Dans un faisceau divergent, les rayons s'écartent au cours de leur propagation.
Q6Quel est le bon ordre de grandeur de c dans le vide ?
Réponse incorrecte
La lumière parcourt environ 300 000 kilomètres en une seconde dans le vide.
Bonne réponse : 300 000 km/s
La lumière parcourt environ 300 000 kilomètres en une seconde dans le vide.
Q7300 000 km/s correspondent à…
Réponse incorrecte
Un kilomètre vaut 1 000 mètres : on multiplie donc la valeur par 1 000.
Bonne réponse : 300 000 000 m/s
Un kilomètre vaut 1 000 mètres : on multiplie donc la valeur par 1 000.
Q8Pourquoi un carton bloque-t-il le faisceau dans l'expérience ?
Réponse incorrecte
La partie opaque du carton ne transmet pas la lumière visible qui la rencontre.
Bonne réponse : Il est opaque
La partie opaque du carton ne transmet pas la lumière visible qui la rencontre.
Q9Que fait une surface mate éclairée ?
Réponse incorrecte
La diffusion permet à plusieurs observateurs de recevoir de la lumière renvoyée par la surface.
Bonne réponse : Elle peut diffuser dans plusieurs directions
La diffusion permet à plusieurs observateurs de recevoir de la lumière renvoyée par la surface.
Q10La lumière peut-elle voyager sans air ?
Réponse incorrecte
La propagation lumineuse ne nécessite pas de milieu matériel.
Bonne réponse : Oui, dans le vide
La propagation lumineuse ne nécessite pas de milieu matériel.
Q11À 300 000 km/s, quelle distance parcourt-elle en 2 s ?
Réponse incorrecte
Distance = vitesse × durée = 300 000 × 2 = 600 000 km.
Bonne réponse : 600 000 km
Distance = vitesse × durée = 300 000 × 2 = 600 000 km.
Q12Les rayons d'un faisceau parallèle…
Réponse incorrecte
Un faisceau parallèle conserve sa largeur dans un milieu homogène.
Bonne réponse : restent parallèles dans le modèle
Un faisceau parallèle conserve sa largeur dans un milieu homogène.
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Le chapitre est à revoir en entier
Ne recommencez pas le quiz tout de suite : relisez d'abord tout le cours, en refaisant sur votre cahier chaque exemple guidé au lieu de le lire. Enchaînez avec les exercices « facile », correction masquée, puis revenez ici. C'est en une seule séance de travail que la note change.
À revoir : 12 questions manquées
À travers quel milieu voit-on nettement les détails ?
Bonne réponseUn milieu transparent
Un milieu transparent transmet la lumière en permettant une vision nette des objets situés derrière.
Le papier calque est généralement…
Bonne réponsetranslucide
Le calque transmet une partie de la lumière en la diffusant et ne permet pas une vision nette.
Où la lumière se propage-t-elle en ligne droite ?
Bonne réponseDans le vide ou un milieu transparent et homogène
Le principe de propagation rectiligne s'énonce avec ces conditions.
Que représente la flèche d'un rayon ?
Bonne réponseLe sens de propagation
La flèche donne le sens suivi par la lumière le long du trajet représenté.
Un faisceau qui s'élargit dans le sens des flèches est…
Bonne réponsedivergent
Dans un faisceau divergent, les rayons s'écartent au cours de leur propagation.
Quel est le bon ordre de grandeur de c dans le vide ?
Bonne réponse300 000 km/s
La lumière parcourt environ 300 000 kilomètres en une seconde dans le vide.
300 000 km/s correspondent à…
Bonne réponse300 000 000 m/s
Un kilomètre vaut 1 000 mètres : on multiplie donc la valeur par 1 000.
Pourquoi un carton bloque-t-il le faisceau dans l'expérience ?
Bonne réponseIl est opaque
La partie opaque du carton ne transmet pas la lumière visible qui la rencontre.
Que fait une surface mate éclairée ?
Bonne réponseElle peut diffuser dans plusieurs directions
La diffusion permet à plusieurs observateurs de recevoir de la lumière renvoyée par la surface.
La lumière peut-elle voyager sans air ?
Bonne réponseOui, dans le vide
La propagation lumineuse ne nécessite pas de milieu matériel.
À 300 000 km/s, quelle distance parcourt-elle en 2 s ?
Bonne réponse600 000 km
Distance = vitesse × durée = 300 000 × 2 = 600 000 km.
Les rayons d'un faisceau parallèle…
Bonne réponserestent parallèles dans le modèle
Un faisceau parallèle conserve sa largeur dans un milieu homogène.
Exercices corrigés
10 exercices classés du plus simple au plus difficile. Cherchez d'abord seul, puis révélez la correction rédigée étape par étape.
Exercice 1
FacileClasser une vitre propre, du papier calque et un carton épais.
Correction
La vitre est transparente : on voit nettement à travers. Le papier calque est translucide : il transmet en diffusant. Le carton est opaque : il ne transmet pas la lumière visible dans l'expérience.
Exercice 2
FacileCompléter : dans le vide ou un milieu … et …, la lumière se propage en … .
Correction
Dans le vide ou un milieu transparent et homogène, la lumière se propage en ligne droite. Les deux conditions doivent apparaître.
Exercice 3
FacileQuelle différence entre un rayon lumineux et un faisceau lumineux ?
Correction
Le rayon est une ligne orientée représentant un trajet. Le faisceau est un ensemble de rayons, souvent délimité sur un schéma par deux rayons limites.
Exercice 4
MoyenDans l'expérience des trous alignés, on décale seulement le carton central. Pourquoi l'écran n'est-il plus éclairé par ce faisceau ?
Correction
Le rayon rectiligne rencontre une zone opaque du carton central. La lumière ne contourne pas le carton dans le modèle de l'expérience et n'atteint plus l'écran.
Exercice 5
MoyenDeux rayons se rapprochent vers la droite et portent des flèches vers la droite. Nommer le faisceau. Que devient le classement si les flèches sont inversées ?
Correction
Vers la droite, le faisceau est convergent. Si les flèches sont inversées, on le lit vers la gauche : les rayons s'écartent, il est divergent.
Exercice 6
MoyenLa lumière a-t-elle besoin d'air pour aller du Soleil à la Terre ? Justifier.
Correction
Non. Elle se propage dans le vide, contrairement à un son qui nécessite un milieu matériel. L'espace entre les astres ne doit pas être rempli d'air pour transmettre la lumière.
Exercice 7
MoyenCalculer la distance parcourue dans le vide en 0,001 s avec c = 300 000 km/s.
Correction
Distance = 300 000 × 0,001 = 300 km. La durée est en secondes, donc la vitesse choisie donne une distance en kilomètres.
Exercice 8
DifficileUne lumière parcourt 900 000 km dans le vide. Calculer la durée de propagation.
Correction
Durée = distance / vitesse = 900 000 / 300 000 = 3 s. On divise des kilomètres par des kilomètres par seconde pour obtenir des secondes.
Exercice 9
DifficileUne vitre laisse voir un paysage et montre aussi un faible reflet. Quels deux phénomènes met-elle en évidence ?
Correction
La vision du paysage résulte de la transmission. Le reflet met en évidence la réflexion d'une partie de la lumière. Les deux phénomènes peuvent coexister sur le même matériau.
Exercice 10
DifficileUn faisceau devient visible de côté dans une pièce poussiéreuse. Expliquer pourquoi cela ne signifie pas que la poussière fait avancer la lumière.
Correction
Les poussières diffusent une partie de la lumière vers l'observateur. Elles révèlent ainsi le trajet. La lumière pouvait déjà se propager dans l'air clair et peut aussi se propager dans le vide.